■李凌峰，鐘志強(qiáng)，吳文杰，張智強(qiáng)

■1.南川區(qū)規(guī)劃研究服務(wù)中心，重慶 408400;2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400045

近年里，我國(guó)各地都在進(jìn)行大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。建設(shè)工程對(duì)混凝土的要求也趨向于高工作性能和高強(qiáng)度化，而想要達(dá)到以上性能要求可以采用“雙摻技術(shù)”，即摻加高效減水劑和礦物摻合料。常用的礦物摻合料為粉煤灰、礦渣、硅灰等等。其中隨著礦物摻合料在建設(shè)工程中的大量使用，粉煤灰和礦渣這兩種礦物摻合料逐漸面臨緊缺的局面，因此其價(jià)格也逐漸上漲，急需找到一種資源豐富、分布廣泛、優(yōu)質(zhì)價(jià)廉的礦物摻合料來(lái)彌補(bǔ)現(xiàn)今礦物摻合料較為緊缺且價(jià)格較高的這種局面。

在生產(chǎn)石灰石骨料的過(guò)程中，產(chǎn)生了大量的石灰石粉屑，如果不能將其合理利用，既污染環(huán)境，又造成資源浪費(fèi)。石灰石粉已經(jīng)作為水泥混合材和混凝土礦物摻合料應(yīng)用于建筑工程，這符合吳中偉院士提出的綠色建材的觀(guān)念，有利于建筑業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。石灰石粉能夠促進(jìn)水泥水化，提高早期強(qiáng)度，改善混凝土的工作性能、力學(xué)性能和某些耐久性能［1-6］。

隨著混凝土工業(yè)發(fā)展，減水劑已經(jīng)成為混凝土中重要的組成部分。高效減水劑的應(yīng)用能夠帶來(lái)良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。減水劑與水泥以及摻合料之間的適應(yīng)性是否良好對(duì)混凝土性能的影響很大，若適應(yīng)性好，能夠改善混凝土的工作性能，提高混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能。對(duì)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在減水劑與水泥適應(yīng)性的問(wèn)題上已經(jīng)做了大量研究［7-11］。但是，關(guān)于減水劑與摻合料之間的適應(yīng)性問(wèn)題以及摻合料的加入對(duì)減水劑與水泥的適應(yīng)性影響研究還不夠全面深入。因此，因地制宜地探索摻加不同摻合料的膠凝材料體系與減水劑的相容性規(guī)律，對(duì)工程實(shí)踐有著重要的指導(dǎo)意義。

本文主要研究了一種聚醚型聚羧酸減水劑與水泥、單摻石灰石粉、以及復(fù)摻石灰石粉—粉煤灰、石灰石粉—礦渣和石灰石粉—硅灰的膠凝材料體系的適應(yīng)性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1．1 試驗(yàn)材料

1．1．1 水泥

試驗(yàn)采用拉法基生產(chǎn)的42.5R普通硅酸鹽水泥C1，水泥細(xì)度見(jiàn)表1。

表1 水泥的篩余量

水泥的化學(xué)成分以及礦物成分組成分別見(jiàn)表2和表3。

表2 水泥的化學(xué)成分分析

表3 水泥的礦物組成分析

1．1．2 石灰石粉及其他礦物摻和料

石灰石粉使用重慶某建材廠(chǎng)生產(chǎn)石灰石骨料時(shí)產(chǎn)生的石灰石粉屑磨細(xì)制成，其化學(xué)成分見(jiàn)表4。其他礦物摻合料選用的是重慶珞璜電廠(chǎng)生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰和重慶鈺宏再生資源有限公司生產(chǎn)的S95級(jí)礦粉以及重慶新材股份有限公司提供的硅灰，這三種礦物摻合料的化學(xué)成分見(jiàn)表4。

表4 礦物摻合料的化學(xué)成分

1．1．3 高性能減水劑

本次實(shí)驗(yàn)采用的減水劑為重慶某建材廠(chǎng)提供的聚醚型聚羧酸減水劑PC-1(固含量為30%)，減水率為29%，推薦摻量為膠凝材料總量的0.6%-1.2%。

1．1．4 拌合用水

使用重慶市自來(lái)水公司的自來(lái)水，符合JGJ63要求。

1．2 試驗(yàn)方法

1．2．1 水泥凈漿流動(dòng)度的測(cè)定

水泥凈漿流動(dòng)度試驗(yàn)按照GB/T 8077-2000《混凝土外加劑勻質(zhì)性試驗(yàn)方法》進(jìn)行，水灰比為0.29，誤差控制在5mm范圍內(nèi)。

本試驗(yàn)采用水泥凈漿流動(dòng)度法，以減水劑摻量飽和點(diǎn)、水泥凈漿初始流動(dòng)度和流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失來(lái)評(píng)價(jià)減水劑與膠凝材料的適應(yīng)性和相容性。試驗(yàn)步驟按照上面所述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，分別測(cè)定水泥凈漿初始流動(dòng)度和靜置60min后的水泥凈漿流動(dòng)度。各種膠凝體系中礦物摻合料的摻量如下表5。攪拌方法按照J(rèn)C/T729-2005《水泥凈漿攪拌機(jī)》進(jìn)行。

表5 礦物摻合料用量

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2．1 聚醚型聚羧酸減水劑與水泥膠凝體系的適應(yīng)性

從圖1可以看出，隨著外加劑摻量從0.6%增加到1.1%，膠凝體系的初始流動(dòng)度逐漸增加，在1.1%時(shí)達(dá)到最大值320mm，當(dāng)外加劑的摻量在1.2%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度有略微的降低，故外加劑摻量的飽和點(diǎn)為1.1%。膠凝體系的60min流動(dòng)度較初始流動(dòng)度均降低，在外加劑摻量為1.1%時(shí)，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失比較小且60min流動(dòng)度比較大。故在聚羧酸系高效減水劑與水泥膠凝體系中，外加劑的摻量在1.1%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度大，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失小，聚醚型聚羧酸系減水劑與水泥膠凝體系的適應(yīng)性好。

圖1 聚羧酸系高效減水劑與水泥膠凝體系的適應(yīng)性表現(xiàn)

2．2 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—水泥膠凝體系的適應(yīng)性

由圖2中可以看出，當(dāng)外加劑的摻量從0.6%增加到1.0%的過(guò)程中，膠凝體系的初始流動(dòng)度從280mm增加到320mm，隨著外加劑摻量的繼續(xù)增加，體系的初始流動(dòng)度反而有所降低，外加劑摻量的飽和點(diǎn)為1.0%。膠凝體系的60min流動(dòng)度較初始流動(dòng)度均有所降低，在外加劑飽和點(diǎn)1.0%時(shí)，膠凝體系的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失為10mm，故在聚羧酸系高效減水劑與石灰石粉-水泥膠凝體系中，外加劑摻量為1.0%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度較高，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失較小，外加劑與體系的適應(yīng)性較好。

圖2 聚羧酸系高效減水劑與石灰石粉—水泥膠凝體系的適應(yīng)性表現(xiàn)

2．3 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系的適應(yīng)性

由圖3中可以看出，隨著減水劑的摻量從0.6%增加到1.0%，膠凝體系的初始流動(dòng)度增加，在 1.0%時(shí)達(dá)到最大值320mm，隨著減水劑摻量的繼續(xù)增加，膠凝體系的初始流動(dòng)度有一定程度的下降，外加劑摻量的飽和點(diǎn)為1.0%。膠凝體系的60min流動(dòng)度都有所降低，在外加劑摻量為0.7%時(shí)膠凝體系的流動(dòng)度損失最小，但是60min流動(dòng)度值比1.0%時(shí)小。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系中，外加劑摻量為1.0%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度較大，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失較小，適應(yīng)性較好。

圖3 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—粉煤灰—水泥膠凝體系的適應(yīng)性表現(xiàn)

2．4 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應(yīng)性

由圖4可以看出，隨著外加劑的摻量從0.6%增加到0.9%，膠凝體系的初始流動(dòng)度從340mm增加到350mm，但是隨著外加劑摻量的繼續(xù)增加，初始流動(dòng)度發(fā)生較大幅度下降，外加劑摻量的飽和點(diǎn)為0.9%。膠凝體系的60min流動(dòng)度值較大，其中在外加劑摻量為0.9%時(shí)，膠凝體系的流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失為最小值10mm。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-礦渣-水泥膠凝體系中，外加劑摻量為0.9%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度最大，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失最小，聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應(yīng)性最好。

2．5 聚醚型聚羧酸減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應(yīng)性

圖4 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應(yīng)性表現(xiàn)

從圖5中可以看出，當(dāng)外加劑摻量從0.6%增加到0.7%時(shí)，膠凝體系的初始流動(dòng)度有所增加，但初始流動(dòng)度值均不大，隨著外加劑摻量的繼續(xù)增加，流動(dòng)度值減小，外加劑摻量在0.7%時(shí)達(dá)到飽和點(diǎn)。膠凝體系的60min流動(dòng)度值均較小，經(jīng)時(shí)損失比較大，漿體的宏觀(guān)表現(xiàn)為不流淌。故在聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系中，膠凝體系的初始流動(dòng)度低，流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失較大聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-硅灰-水泥膠凝體系的適應(yīng)性比較差。

圖5 聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應(yīng)性表現(xiàn)

3 機(jī)理分析

外加劑與復(fù)合膠凝材料體系的適應(yīng)性影響因素主要有以下幾個(gè)方面:

(1)外加劑的種類(lèi)、摻量以及摻加工藝;

(2)凈漿的攪拌工藝、時(shí)間與速度;

(3)水泥的礦物組分、堿含量、細(xì)度以及石膏的形態(tài)和摻量等;

(4)摻合料的種類(lèi)和摻量;

本次試驗(yàn)條件下主要研究摻合料的種類(lèi)對(duì)外加劑與復(fù)合膠凝材料體系的適應(yīng)性影響。

石灰石粉的摻入，能夠改善體系的適應(yīng)性;這主要是由于摻入的石灰石粉發(fā)揮了良好的形態(tài)效應(yīng)和填充效應(yīng)。石灰石粉的主要化學(xué)成分為CaCO3，摻加石灰石粉取代部分水泥，可以減少水泥中C3A和C4AF的含量，減少水泥熟料對(duì)高效減水劑的吸附作用。石灰石粉水化活性低，部分水分包裹在其顆粒表面，不參加水化反應(yīng)。因此，水泥摻合料體系的減水劑飽和點(diǎn)值相應(yīng)減少，并增加了游離水和游離減水劑的數(shù)量，使水泥漿體的流動(dòng)度增大，減少了流動(dòng)度損失。

雖然粉煤灰的摻入使得膠凝材料中的水泥含量降低了，但是粉煤灰的比表面積比較大，且Ⅱ級(jí)粉煤灰中多為未燃燼的炭粒子，則具有多孔結(jié)構(gòu)，會(huì)吸附大量的減水劑和水分，因而使其相容性略微增加。礦渣的摻入使得膠凝材料中水泥的含量降低了，且礦渣對(duì)減水劑的吸附量較小，故改善了體系的適應(yīng)性。硅灰的比表面積比較大，摻入后吸附了大量的外加劑，使得游離水和游離減水劑的數(shù)量大量的減少，水泥水化加快，體系的流動(dòng)度減小，適應(yīng)性變差。

4 結(jié)論

(1)石灰石粉的摻入，能夠提高體系的初始流動(dòng)度，降低外加劑的飽和點(diǎn)，減少流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失，從而改善聚羧酸高效減水劑與水泥膠凝體系的適應(yīng)性。(2)粉煤灰和礦渣的摻入，均能降低聚羧酸高效減水劑與石灰石粉-水泥膠凝體系中外加劑的飽和點(diǎn);其中礦渣摻入后，初始流動(dòng)度增大比較明顯，且流動(dòng)度經(jīng)時(shí)損失比較小，聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—礦渣—水泥膠凝體系的適應(yīng)性最好。(3)硅灰由于其比表面積過(guò)大，對(duì)減水劑的吸附量大，從而使得聚羧酸高效減水劑與石灰石粉—硅灰—水泥膠凝體系的適應(yīng)性變差。

［1］王子明.聚羧酸系高性能減水劑的制備、性能與應(yīng)用［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版，2009，6.

［2］韓利華，張學(xué)麗等.聚羧酸系高效減水劑的研究進(jìn)展及發(fā)展現(xiàn)狀［J］，混凝土，2008，2.

［3］G.Ye，X.Liu，G.De Schutter，A.-M.Poppe，L.Taerwe.In uence of limestone powder used as?ller in SCC on hydration and microstructure of cement pastes［J］.Cement＆ Concrete Composites，2007，29(3):94-102.

［4］李鴻芳，劉曉紅，陳劍雄.模擬酸雨對(duì)石粉鋰渣超早強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土的侵蝕研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2009，28(4):829-834.

［5］肖斐，崔洪濤，陳劍雄等.超磨細(xì)石灰石粉高強(qiáng)混凝土的研究［J］.硅酸鹽通報(bào)，2010，29(6):1303-1307.

［6］Geoffrey Frohnsdorff and Lawrence J kaetzel，Computerizing Concrete Technology Knowledge，Concrete International Design ＆ Construcion，Dec.1999.

［7］覃維祖.水泥—高效減水劑相容性及其檢測(cè)研究［J］.混凝土，1996，(2):11-17.

［8］閻培渝，王悅.可溶堿對(duì)水泥/氨基磺酸鹽減水劑相容性的影響［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2006.10:576-580.

［9］Nathan A.Tregger，Margaret E.Pakula，Surendra P，Shah.Influence of clays on the rheology of cement pastes［J］.Cement and Concrete Research，2010(40):384-391.

［10］JIANG Shiping，KIM Byung-Gi，AITCIN Pierre-Claude.Importance of adequate soluble alkali content to ensure cement-superplasticize compatibility［J］.Cement and Concrete Research，1999.29(1):71-78.